[플랜트] 연소공학 #1 발전연료

공부하는 이유

이번에 참여하게 된 연구과제의 대상이 화력발전소의 연소모델이다.

화력발전소는 미분탄(석탄을 작은 입자로 분쇄한 것)에 불을 붙여 열에너지로 바꾼 후 600도가 넘은 열로 물을 고온 고압 증기로 바꾼 후 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

즉 화력발전소의 시작점은 석탄이다. 그래서 이번 글에서는 발전연료에 대한 기본 지식을 다뤄보고자 한다. 

 

🔥연료란?

• 자체 내부구조의 변환 또는 다른 물질과의 반응을 통해 화학 에너지 또는 핵에너지를 지속적으로 열에너지로 변환시킬 수 있는 물질의 총칭
• 일반적으로 탄소의 주성분은 탄소와 수소이며 이들 성분의 결합 형태는 매우 복잡하여 분명하지 않으나 연료가 연소하게 되면 결국 화학반응이 일어나고, 이때 발생하는 열이나 빛에너지를 이용하게 된다.
• 산소나 질소의 함유량이 크면 연료의 가치는 저하되고, 황 성분은 가연성분으로 연소 시 발열량을 높여 주기도 하지만 그 연소생성물이 SO2, SO3 연도 내에서는 부식에 의한 유해작용을 하고 대기 중에 배출되면 환경오염을 일으키므로 항분의 다량 함유 역시 연료의 가치를 저하시킴
• 수분과 무기질(회분)도 연료의 질을 저하시킴. 수분은 기화잠열을 함유하여 연소설비의 마모와 고온부에서는 부식을 일으켜 연소 후에 열손실 및 환경문제를 야기하는 원인이 됨
  • 기화잠열 : 액체가 기화하여 기체로 될 때 외부로부터 흡수하는 열
  • 즉 연소 과정에서 수분이 증가하면서 주위의 열을 흡수하므로 열손실 문제가 야기 

🪨 석탄의 분류

 💡탄화도 (석탄화도)
석탄의 오래된 정도를 의미 ,
석탄에서 수분과 회분을 뺀 나머지 성분 가운데 탄소가 차지하는 비율을 중량 백분율로 나타낸 지표 

석탄의 가연성분은 대부분 휘발분과 고정탄소로 구성되어 있음.
고정탄소는 불은 잘 안붙지만 한번 붙으면 오래타는 성질로 발열량이 높음
휘발분은 쉽게 불이 붙고 금방타버리는 성질로 발열량이 낮고 매연을 생성
즉, 탄화도가 크다는 것은 탄이 오래되었다는 뜻이고, 더 깊은 지층에 묻혀있다고 해석
깊이 묻혀 있을 수록 압력을 많이 받고 그 압력에 의해 휘발분이 날라감 

[정리]
탄화도가 증가하면 (1) 휘발분은 감소하고, 고정탄소의 함량은 증가 (2) 고정탄소 증가에 따라 발열량 증가 (3) 휘발분 감소에 따라 매연발생 감소 (4) 비열, 산소함량 감소, 착화온도 증가

 

갈탄 (Lignite /Brown Coal)

• 연료비가 1 이하 (탄화도 낮음) 이고 수분이 40% 이상으로 많으며, 회분이 10~40%, 발열량은 4600 kcal/kg 이하, 아탄은 수분, 회분이 많고 발열량이 낮으며 산화가 잘되는 결점이 있지만, 점결성이 없고 착화가 잘되며 연소속도가 빨라 가정용 또는 소규모 공업용으로 주로 사용
  
  • 연료비 = 고정탄소(%) / 휘발분(%) 
    • 고정탄소(%) = 100 - (휘발분 + 수분 + 회분)(%)

아역청탄(Sub-Bituminous)

• 휘발분과 수분함량이 많으며, 갈탄과 역청탄 중간정도의 탄화도
• 휘발분은 31% 이상, 발열량 4600~6400kcal/kg 정도이고 점결성이 없거나 적으며 착화성이 좋고 발열성은 좋은 반면, 대기 중에 방치하면 풍화(산화)되고 쉬움

역청탄(Bitunimous)

• 대부분 광택이 없으며, 일반적인 유연탄이 이에 속하고, 석탄의 중요한 성질을 고루 가지고 있음
• 전 세계의 고체 연료 중 가장 많이 산출되고 사용범위도 넓으나 우리나라에서는 산출되지 않음
• 갈탄보다 더 오랜 기간 동안 지하에 매몰, 탄화가 진행 된 것으로 지질연대에 따라 여러 가지 성질을 가지므로 ASTM에서는 역청탄을 5종으로 세분하고 있음
• 수분은 비교적 낮은 편이고 고정탄소 86% 이하, 휘발분 14% 이상, 발열량은 6400kcal/kg 이상이며 산화성과 점결성이 있음

무연탄(Anthracite)

• 석탄 중 탄화가 가장 많이 된 것으로 보통 고정탄소 86% 이상, 휘발분 14% 이하이며 점결성 없음
• 견고하면서도 취약하며 고정탄소분이 높고 발열량은 시대와 생성조건에 따라 4000~7000kcal/kg 정도로 차기아 큼
• 휘발분이 적어 연소 시 매연발생은 적으나 착화가 어려워 미연탄소분이 발생하기 쉬움
  • 따라서 연소시 노 내의 체류시간을 충분히 유지시켜 주어야하고 화염안정용 보조연료를 사용하기도 함
  • 또한 점결성이 없어 코크스를 만들 수 없고 휘발분이 적어 건류 시에도 타르가 없고 가스만 발생하기 때문에 주로 가정용 연탄 및 발전용으로 사용됨